Improving the realism of the cellular Potts model in simulations of biological cells

ポッツモデルによる細胞シミュレーションの現実性を高める

大内 則幸; Glazier, J. A.*; Rieu, J.-P*; Upadhyaya, A.*; 沢田 康次*

Ouchi, Noriyuki; Glazier, J. A.*; Rieu, J.-P*; Upadhyaya, A.*; Sawada, Yasuji*

拡張LargeQ状態-Pottsモデルは、細胞集団の腫瘍形成やtissue rearrangement、またセルソーティングを記述するのに使われ、さまざまな組織の細胞レベルのシミュレーションのスタンダードなテクニックになってきている。しかし、これまで用いられてきた細胞間の接着エネルギーが正であるモデルでは、実験と定性的には非常によく合うが、定量的な記述はうまくいかない。ここで、われわれは実際の細胞の持つ「接着力」をうまく表すように系のエネルギーを定義し、また新たな物理的な相互作用項をモデルに取り入れることで実験データとよく合うモデルを構築することに成功した。このモデルは、今後さまざまな細胞レベルの現象を記述するのに用いられることが期待される。

Because the extended large-Q Potts model captures effectively the global features of tissue rearrangement experiments, including cell sorting and tissue engulfment, it has become a common technique for cell level simulation of tissues. It agrees qualitatively with experiments. However, standard simulations using positive surface energies fail to describe correctly the dynamics of single cells moving within an aggregate. In particular, the hierarchy of diffusion constants is reversed compared to experiments. The standard model also suffers from numerical instabilities. In this letter, we show how to modify the Hamiltonian using negative surface energies and a spin flip energy threshold to improve the correspondence to experiments. We also investigate diffusion constant dependence on model parameters.